научная статья по теме ВЛИЯНИЕ РАСТВОРЕННЫХ ГАЗОВ НА СИЛЬНО РАЗБАВЛЕННЫЕ ВОДНЫЕ СРЕДЫ Биология

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ РАСТВОРЕННЫХ ГАЗОВ НА СИЛЬНО РАЗБАВЛЕННЫЕ ВОДНЫЕ СРЕДЫ»

БИОФИЗИКА, 2014, том 59, вып. 4, с. 641-648

МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА

УДК 577.3

ВЛИЯНИЕ РАСТВОР ЕННЫХ ГАЗОВ НА СИЛЬНО РАЗБАВЛЕННЫЕ ВОДНЫЕ CP ЕДЫ

© 2014 г. Л.В. Беловолова, М.В. Глушков, Е.А. Виноградов

Институт общей физики им. А .М. Прохорова РАН, 119991, Москва, ул. Вавилова, 38 E-mail: lvbel@smp.gpi.ru, gmv@smp.gpi.ru Поступила в p едакцию 10.02.14 г.

В экспериментах по измерению редокс-потенциала для серии одинаковых образцов очищенной и предварительно отстоявшейся воды обнаружено, что отклик на ультрафиолетовое облучение заметно изменяется в течение нескольких суток после очистки, в том числе скачкообразно. Через несколько часов после воздействий, ведущих к повышению содержания активных форм кислорода по сравнению с равновесными значениями, в воде и разбавленных водных средах регистрируются долговременные изменения, в том числе колебания редокс-потенциала и оптических параметров системы. Предложена эвристическая модель организации водно-газовой системы с повышенным содержанием активных форм кислорода.

Ключевые слова: вода, сильно pазбавленные водные cpеды, активные фоpмы киcлоpода и воды, потенциометpия, ультpафиолетовая люминесценция, pэлеевcкое pаccеяние, колебания паpаметpов.

В исследованиях воды и разбавленных водных сред присутствие в них растворенных атмосферных газов обычно не принимается во внимание. Однако в настоящее время хорошо известно, что микропузырьки воздуха, всегда имеющиеся в воде, если не принять специальные меры к их удалению, оказывают на нее заметное влияние. Так, после дегазации воды существенно меняются процессы формирования микроэмульсий [1], исчезает чувствительность к слабым магнитным и электромагнитным полям [2], изменяется ха рактер релаксации водной ср еды после различных воздействий [3]. Микро-скопические пузырьки являются зародышами кавитации, поэтому их число, размер, газовый состав и свойства поверхности сильно влияют на кавитационную прочность и на сонолюми-несценцию воды [4]. Показано, что жидкости с пузырьками газа могут проявлять гигантскую нелинейность при акустических воздействиях и тем самым сильно влиять на рассеяние электромагнитных и акустических волн [5,6]. Бар-ботирование газообразным азотом дистиллиро -ванной воды, находящейся в равновесии с воздухом, резко понижает ее пр оводимость. К подобному эффекту приводит и дегазация воды [7]. Существенно, что в этих процессах удаляются анионы карбоната, вносящие основной вклад в проводимость чистой аэрированной воды, поскольку отрицательно заряженные

Сокращения: АФК - активные формы кислорода, УФ -ультрафиолетовый.

ионы являются зародышами образования пузырьков в воде [8] и при малых размер ах пузырьков препят ствуют их схлопыванию [9]. С о -держание газов в воде сильно зависит от методов ее обработки, а нарушенное р авновесие восстанавливается относительно медленно.

Известно, что живые ор ганизмы очень чувствительны к содержанию в воздухе и водных ср едах активных фор м кислорода (АФК). Имеются данные, дающие основания полагать, что образование АФК в воде (в том числе и под действием энергетически слабых фактор ов, энергия которых недостаточна для разложения молекул воды на радикалы) связано с присутствием паровоздушных пузырьков и накоплением на их поверхности молекул перекиси водорода и продуктов перекисного окисления органических примесей [10,11]. И сследования этих процессов ограничиваются низкими концентрациями АФК и трудностями моделирования поверхностных эффектов.

Здесь мы приводим результаты измерений окислительно-восстановительных потенциалов (редокс-потенциалов) образцов очищенной воды, подвергаемых ультрафиолетовому (УФ) облучению, а также результаты исследования водных образцов методами УФ-люминесценции и светорассеяния. Метод потенциометрии обладает высокой чувствительностью к процессам электронного пер ено са на границе раздела фаз (вода-поверхность электрода) и позволяет наблюдать окислительно-восстановительные превращения при весьма малых концентрациях

Pис. 1. Распределение скачков потенциала в течение трех суток. (Подробности в тексте.)

электр онных пер ено счиков. УФ-облучение способно пр иводить к возбуждению и разложению молекул воды и газов, т .е. обр азованию АФК и вторичным процессам с их участием.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В работе использовали дистиллированную воду, дополнительно очищенную на угольном фильтр е В-300 и на многоступенчатой водоочистной установке Аквамед-1 ДВС/М1 (Россия). И сходная электр опр оводность очищенной воды не пр евышала 0,6 мкС м/см. В ряде экспер имен-тов пр именяли пр ир одную питьевую воду «Чер-ноголовская» без дополнительной очистки. Ацетон («ч.д.а.») дополнительно очищали дву-кр атной пер егонкой. И спользовали пер оксид водо р ода («о .с.ч.», «Баум-Люкс», Р о ссия) и би-кар бонат натр ия (Sigma).

Приготовление образцов для потенциомет-

рии. Редокс-потенциал относительно хлорсер еб -р яного электр ода ЭВЛ-1М 3.1 измер яли с помощью анализатор а жидко сти Эксперт-001 (Эконикс-эксперт) с использованием платинового электр ода ЭПВ-1СР. Измеряя р едокс-по-тенциалы очищенной воды, мы обнаружили очень большую вар иабельность кинетики установления потенциала даже для образцов, последовательно наливаемых в измерительную ячейку из одной емко сти. Чтобы стандар тизи-р овать условия обр азцы воды ср азу по сле очистки разливали по стеклянным стаканам и вы-дер живали пр и комнатной темпер атур е в течение двух суток. Перед измерением редокс-по-тенциала очер едной тестируемый обр азец семь раз переливали из стакана в измерительную кварцевую колбу и обратно, затем записывали кривые установления потенциала при постоян-

ном перемешивании образца на столике магнитной мешалки. П р и такой по становке опыта заметной зависимости измеренного потенциала от диаметр а со суда, в котор ом хр анился обр а -зец воды (и условий диффузии газов во вр емя хр анения), не пр оявлялось.

После достижения постоянных значений ре-докс-потенциала (~ 5-10 мин) откр ывали за -слонку о светителя ОИ-18А с ртутно-квар цевой лампой Д Р К -120 и пр оводили облучение воды в течение 3 мин, не пр ерывая записи р едокс-потенциала. Р азница между значением редокс-потенциала в момент начала и конца облучения (условимся называть «скачок потенциала») явилась главным пар аметр ом, по котор ому ср ав-нивали независимые обр азцы воды. Все условия опыта поддерживали одинаковыми для всех обр азцов.

Спектры флуоресценции записывали с помощью модифицир ованного спектр ально-изме-р ительного комплекса СДЛ-2 (ЛОМО, Р о ссия) в р ежиме счета фотонов. И спользовали электр оактиватор воды ЛУ-3002 (сила тока электр олиза 0,2-0,7 А, напр яжение питания 220 В, ча стота 50 Гц, потр ебляемая мощность не более 70 Вт). Все подр обности об используемых методиках и оборудовании изложены в работах [12,13].

Р ЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 1 пр иведены значения скачков потенциала независимых образцов воды в течение тр ех суток тестир ования. Видно, что в то вр емя как в пер вые сутки измер ения УФ-облучение вызывало повышение потенциала, на вторые сутки для большинства обр азцов потенциал понижался . Величина скачка редокс-потенциала в пер вые и втор ые сутки измер ения нар яду с относительно низкоамплитудными колебаниями испытывает более р езкие изменения. В течение пер вых суток тестир ования, т .е. на тр етьи сутки после очистки воды, обнаружены два относительно резких падения амплитуды скачка на 12-18 мВ. На втор ые сутки после начала тестирования скачок потенциала для первого образца практически отсутствует, а для последующих образцов знак эффекта меняется на пр отивоположный. На тр етьи сутки опыта скачок потенциала имеет существенно меньшие, чем в пер вые сутки, положительные значения.

Эти р езультаты свидетельствуют о долго -временных (по крайней мере, в течение четырех суток после очистки) изменениях состояния водной системы после очистки, проявителем котор ых является пр оцедур а облучения ультр а -фиолетовым светом. П р и этом нар яду с отно-

Р ис. 2. Кинетика изменения р едокс-потенциала 60 мкМ/л водного р аствор а Н 2О 2- Начало записи чер ез 1,5 ч после УФ-облучения.

Р ис. 3. Кинетика изменения редокс-потенциала водного р а створ а, содер жащего 4,3 мМ/л МаИС03 и 40 мкМ/л И202.

сительно небольшими колебаниями р едокс-по-тенциала вр емя от в р емени наблюдаются резкие изменения хар актер а отклика водной системы на облучение ультр афиолетовым светом.

Опыт показал, что вид графиков записи потенциала под действием облучения и после него изменяется в зависимости от вр емени хр а -нения обр азцов, пр и повто р ном облучении ра -нее протестированных образцов, при изменении вр емени облучения, а также пр и введении в систему малых добавок веществ, способных вступать во взаимодействие с АФК или обладающих поверхностной активностью. Так, в воде с добавками перекиси водорода (рис. 2) иногда удавалось регистр ир овать скачкообр аз-ные изменения потенциалов на несколько милливольт чер ез несколько ча сов после УФ -облучения. В водном р аствор е, содержащем би-

Р ис. 4. Кинетика рэлеев ского ра ссеяния (к = 260 нм) черноголовской воды после 11 мин электролиза без добавок. Чер ез сутки после электр олиза (а); чер ез двое суток (б). 1 - Контр оль, 2 - анолит, 3 - католит.

кар бонат натр ия и пер еки сь во до р ода (без УФ -облучения), мы р егистр ир овали медленные изменения значений редокс-потенциалов (р ис. 3), по длительности подобные процессам, описанным в работе [14].

И сследования УФ-люминесценции и свето -рассеяния водных образцов показали, что в воде через несколько часов после воздействия, приведшего к образованию АФК, появляются долговременные колебания оптических параметров. В частности, в питьевой воде марки «Чер ноголовская» чер ез сутки по сле активации электр олизом длительное вр емя наблюдаются колебания рэлеев ского свето р а ссеяния на длине волны 260 нм. На рис. 4а показаны колебания рэлеевского светорассеяния водной фракции, собр анной вблизи катода (католите) и вблизи анода (анолите) чер ез сутки после электр олиза. Можно видеть, что вблизи катода, т .е. во фр акции воды, содер жащей АФК с во сстановитель-н

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком